Ciemna strona świata (cz.I)

Wszechświat ucieka na zewnątrz coraz szybciej – tak szybko, że wymyka się również nauce. Dlaczego? Oto pierwsza część eseju kosmologicznego na ten temat.

Największa zbudowana dotąd kamera cyfrowa waży pięć ton i ma 520 megapikseli. I słusznie, bo jej zadanie jest także gigantyczne: ma zderzyć się z największą zagadką wszechświata. W tym roku, 20 lutego 2012 rozpoczęto montaż tego kolosa na teleskopie Blanco w Międzyamerykańskim Obserwatorium Astronomicznym (IAO) Cerro Tololo, które wznosi się 2200 m npm na pustyni Atacama w północnym Chile. To wyniesienie, samotność (czyli ciemność otoczenia nocą) i środowisko najsuchszej pustyni świata zapewnia IAO najlepsze warunki widoczności z ziemi. Lepsze mają już tylko teleskopy wyniesione w kosmos na satelitach, ale ta kamera jest na to za duża i za cenna, przynajmniej na tym etapie badań. Na Cerro Tololo zaczyna się projekt DES (Dark Energy Survey), bodaj najbardziej dotąd ambitna próba zrozumienia największej zagadki kosmologii: dlaczego wszechświat rozszerza się z coraz większą prędkością. 

Już od końca lat 1920-ych wiedziano, że wszechświat rośnie. Wtedy sądzono jednak, że wzrost ten jest coraz wolniejszy. Kiedy jednak w roku 1998 dwa niezależne badania dowiodły, że jest odwrotnie, tj. że ucieczka na krańcach wszechświata stale przyspiesza, kosmologia została postawiona na głowie. Od tamtego roku popełniono dotąd około 5.000 prac naukowych i naukawych usiłujących wyjaśnić to zjawisko. „To więcej niż jedna praca dziennie!” zauważa ze zdziwieniem prof. Saul Perlmutter, żydowski astronom z kalifornijskiego Lawrence Berkeley National Laboratory, który kierował projektem Supernova Cosmology Project, jednym z dwóch badań, które zrodziły sensacje 1998 roku. W październiku 2011 Perlmutter, a także autorzy drugiego badania z 1998 roku nazwanego High-z Supernova Search, panowie Brian Schmidt i Adam Riess dostali za to wspólną nagrodę Nobla z fizyki. 

Bardzo wiele z tych 5.000 prac interpretacyjnych zajmuje się zagadnieniem tzw. „ciemnej energii”. Jej popularność wynika z faktu, że przy okazji wyjaśnia ona jeszcze jedno wielkie odkrycie kosmologiczne końca ubiegłego wieku. Otóż na początku lat 1990-tych badania promieniowania tła kosmicznego (CMB), czyli przenikającego wszystko oceanu mikrofal, które pokazuje jak wyglądał wszechświat, kiedy miał zaledwie 380 tysięcy lat (rzecz by się tu chciało – tuż po jego powstaniu) udowodniły, że wszechświat – i wtedy i teraz – jest płaski! Starożytni mieli rację – świat jest płaski! Dowód? Nieważne jak wielki trójkąt by na nim nie narysować, choćby jego wierzchołki były oddalone od siebie o miliardy lat świetlnych, to suma kątów zawsze wyniesie w nim 180 stopni, tak jak w szkolnym zeszycie do geometrii.

Nie jest to może zaskoczeniem dla większości z nas, których przygoda z geometrią zakończyła się na etapie tego zeszytu, ale fizycy i kosmolodzy byli zaskoczeni, i to bardzo. W wielu skalach przyjmuje się bowiem, że przestrzeń kosmiczna nie jest płaska tylko ugięta. Urok teorii względności Einsteina polegał właśnie na interpretacji grawitacji w kategoriach przestrzeni zakrzywionej. Kosmologia była więc przygotowana na takie zakrzywienie także w największych wyobrażalnych wymiarach, i bardzo ją zaskoczyło to, że tak wcale nie jest.

Teoria względności powiada, że po to aby wszechświat mógł być płaski, musiałby mieć szczególnego rodzaju gęstość. A gęstość w teorii względności to nie tylko masa materii zawarta w określonej objętości, ale także energia. No, i tu zagadka: z wielu badań wynika, że zwykła materia (czyli ta, z której stworzeni jesteśmy my, planety, gwiazdy itp.) wystarczy tylko na jakieś 4% takiej gęstości. Nawet jeśli dodać do tego bardzo szczególny rodzaj materii – właśnie ową ciemną materię, która nie jest zbudowana z atomów, a która z resztą wszechświata kontaktuje się niemal wyłącznie poprzez grawitację, to i tak będzie jej najwyżej dalsze 22%. Oznacza to, że do granicy krytycznej gęstości brakuje jeszcze prawie ¾. Fizycy zaczynają sobie uświadamiać, że w ich dotychczasowym obrazie wszechświata brakuje im czegoś naprawdę wielkiego. Czyli, że rozumieją jeszcze bardzo mało.  

Cokolwiek by to COŚ miało nie być, już teraz wydaje się nieźle pasować do modelu przyspieszającego rozszerzania świata. Wyobraźmy sobie takie równanie, którego wynikiem jest suma wszelkiej energii i materii potrzebna do uzyskania tej gęstości jaka czyni świat płaskim. To jest nasza wartość docelowa. Odejmijmy od tej sumy wartości energii i materii (w tym i „ciemnej materii”, oczywista), o jakich już wiemy, a uzyskamy brakującą energię niezbędną do podtrzymywania obserwowanego przyspieszenia ekspansji kosmosu. Dr Michael Turner z uniwersytetu w Chicago ochrzcił ją terminem „ciemna energia”. Ale tu znowu mamy zagwozdkę. Żeby się sumy zgadzały, ta ciemna energia musi być zaiste wielkim dziwolągiem. Zgodnie bowiem z teorią względności Einsteina, energia w formie promieniowania ma właściwie ten sam skutek grawitacyjny, co materia. Fotony, z których składa się światło, wywierają nacisk, a to z kolei wywołuje przyciąganie grawitacyjne. Aby mogło ono jednak przyspieszać, ciemna energia musiałaby odpychać, a nie przyciągać! Mówiąc inaczej, musiałby to być nacisk ujemny.

Przyjmijmy więc takie założenie i podzielmy teraz nacisk ciemnej energii (ten ujemny) przez gęstość energii (dodatnią), a uzyskamy coś, co w kosmologii określa się jako „w”. Łatwo zauważyć, że musi to być wartość ujemna. Obserwacje poczynione od roku 1998 sugerują, że jest to bardzo blisko -1. Gdyby się okazało, że jest to dokładnie -1 (słownie: minus jeden), uzyskalibyśmy wartość ciemnej energii, którą można by nazwać stałą kosmologiczną.  Byłaby to bardzo cenna stała: ta sama dla wszystkich miejsc we wszechświecie, niezmienna, bez względu na to, czy świat się kurczy czy rozszerza, prostuje czy zapętla.

Stała kosmologiczna to jeszcze jedna rzecz, którą pierwotnie chyba wymarzył sobie Einstein. Kiedy zdał sobie sprawę, że równania ogólnej względności dopuszczają rozszerzanie lub kurczenie się wszechświata, dodał do nich parametr opisujący taką stałą po to, aby tego nie robiły. Mimo, że stale zaprzeczał własnej intuicji w swych przewidywaniach, z rozszerzającym się światem nie umiał sobie dać rady, przynajmniej w roku 1917, kiedy opublikował swoją teorię. Kiedy w 12 lat potem Edwin Hubble odkrył, że inne galaktyki rzeczywiście uciekają na zewnątrz Drogi Mlecznej, jakby zniecierpliwiony Einstein porzucił w ogóle dalsze zajmowanie się tym niewygodnym szczegółem. Bardzo irytowało go to, że nie zaufał od początku swej matematyce, i to tak bardzo, że jeszcze później uznał, iż próba wprowadzenia owej stałej kosmologicznej była jego największą naukową gafą. Tak jednak wcale nie było. Owszem, była to największa słabość jego teorii, ale wcale nie gafa. (cdn.)

Bogusław Jeznach

Dodatek muzy

Słuchamy utworu Crystal Heart z Buddha Bar